Интерференция света, отраженного от прозрачных пленок
Рассмотрим интерференционные явления, возникающие при отражении света от тонких прозрачных пластин (пленок).
Слагаемое λ/2 появляется в связи с тем, что луч 2´ отражается (в точке С) от оптически более плотной среды, его фаза изменяется на π, что соответствует дополнительной разности хода λ/2. Луч 1´ отражается (в точке В) от оптически менее плотной среды, его фаза не изменяется. Если разность хода равна целому числу длин волн λ падающего света, то лучи 1´ и 2´ максимально усилят друг друга. Нетрудно усмотреть, что при (при данном значении α) такой результат интерференции будет иметь место не только для точки С, но и для всех других точек поверхности пленки. Поэтому глазу, аккомодированному на поверхность пленки, вся пленка представится ярко освещенной. Если же
До сих пор мы имели дело с плоскопараллельной пленкой. Рассмотрим теперь пленку переменной толщины, например, клинообразную (рис.5). В отраженном свете поверхность такой пленки уже не покажется равномерно освещенной, так как разность хода лучей, интерферирующих в различных (по толщине) местах пленки, будет неодинаковой. Эта разность сохраняется постоянной только вдоль линий, параллельных ребру клина, и убывает в направлении от основания к ребру (рис.5 а). Поэтому поверхность клинообразной пленки представится покрытой чередующимися светлыми и темными полосами, параллельными ребру клина (рис.5 б). Очевидно, что чем больше угол клина θ, тем быстрее изменяется разность хода лучей вдоль клина и тем чаще расположены интерференционные полосы. При использовании белого света интерференционные полосы несколько расширяются, приобретая радужную окраску. Это объясняется зависимостью разности хода от длины волны: в каждой светлой полосе максимумы для различных длин волн располагаются раздельно. В отличие от клинообразной пленки у пленки со случайным распределением толщины интерференционные полосы могут иметь самую разнообразную криволинейную форму. При освещении этой пленки белым светом возникает весьма причудливая по форме и расцветке интерференционная картина. Такую картину дают мыльные пленки, нефтяные пятна на поверхности воды, крылья мелких насекомых, жировые налеты на стекле и другие тонкие пленки толщиной порядка 10-4 см. В более толстых пленках цветные интерференционные полосы оказываются настолько сближенными, что частично перекрывают друг друга и интерференционная картина становится неразличимой. Поэтому интерференцию света в толстых пленках можно наблюдать только при использовании строгого монохроматического света.
Рассмотрим систему, состоящую из плосковыпуклой линзы, которая соприкасается своей выпуклой частью с плоской поверхностью хорошо отполированной пластинки (рис.6). Толщина образованной между ними воздушной прослойки растет от центра к краю. Если теперь на эту систему падает пучок монохроматического света, то световые волны, отраженные от нижней поверхности линзы и верхней поверхности пластинки, будут интерферировать между собой в точке C. При этом в центре будет наблюдаться темное пятно, окруженное рядом концентрических, светлых и черных колец убывающей ширины. При наблюдении в проходящем свете будет обратная картина: в центре будет светлое пятно, все светлые кольца заменятся на светлые, и наоборот. Оптическая разность хода лучей в отраженном свете запишется следующим образом: D у = 2 d n + l/2, (9) Один луч сразу отражается в точке В и его фаза не меняется, так как отражение происходит от воздуха в стекло (от оптически менее плотной среды в более плотную), а второй луч дважды проходит воздушную прослойку толщиной d и отражается от стекла в воздух (от оптически более плотной среды в менее плотную). Поэтому фаза луча меняется на p, что соответствует дополнительной разности хода l/2. Так как показатель преломления воздуха n = 1, то формула (9) запишется: Dу = 2 d + l/2, Если в этой разности хода лучей укладывается нечетное число длин полуволн, то при интерференции будет наблюдаться минимум, т.е. условие образования темных колец можно записать как: 2 d + l/2 = (2 к + 1) l/2, или: 2 d = кl, (10) где к = 0, 1, 2, 3, ….является номером темного интерференционного кольца. Толщина воздушной прослойки d может быть выражена через радиус R кривизны линзы и радиус rк темного интерференционного кольца с номером к: rк2 = R2 –(R –d)2. Если d мало по сравнению с R, то rк2» 2 Rd (11) Сравнивая (10) и (11), получим: l = rк2/Rк (12) Однако формула (12) не может быть применена для опытной проверки. Действительно, поскольку на поверхности даже очищенного стекла всегда присутствуют пылинки, то стеклянная линза не примыкает плотно к плоскопараллельной пластинке, а между ними имеется незначительный зазор величиной а. Вследствие зазора возникает дополнительная разность хода в 2 а. Тогда условие образования темных колец примет вид: 2 d + l/2 + 2а = (2 к + 1) l/2, или d = к l/2 – а. Подставляя значение d в уравнение (11),получим: rк2» 2 R к l/2 – 2 R а (13) Величина а не может быть измерена непосредственно, но ее можно исключить следующим образом. Запишем (13) для кольца с номером m: rm2» 2 R m l/2 – 2 R а (14). Вычитая из выражения (14) выражение (13), получим: rm2 – rк2 = R(m – к)l. Откуда
Таким образом, зная радиус кривизны линзы и радиусы rm и rk темных интерференционных колец, можно вычислить длину световой волны l. Выполнение работы На столике микроскопа находятся плосковыпуклая линза и плоскопараллельная пластинка, заключенные в оправу. Включить трансформатор осветителя. С помощью регулятора напряжения и диафрагмы добиться равномерного освещения поля зрения. Затем микроскоп фокусируется на четкое изображение колец. Оправа с линзой и стеклом устанавливается так, чтобы крест нитей окулярного микрометра проходил через центр колец. Когда кольца Ньютона в увеличенном виде будут хорошо видны, оправу с линзой и стеклом смещают, чтобы можно было наблюдать максимальное число колец с одной стороны (рис.7). Вращая барабан окулярного микрометра, наводят крест нитей на центр темного пятна и производят отсчет (не менее пяти раз) целых делений по положению двух штрихов на шкале и сотых по барабану. Положение центра колец определяется как среднее арифметическое этих отсчетов. Затем наводят крест нитей на первое, второе и т.д. (до последнего видимого в окуляр) кольцо и определяют один раз положение каждого кольца. Радиусы колец определяются как разности положений колец и центра. Примечание. Необходимо помнить, что одно целое деление шкалы в микроскопе, соответствующее одному полному обороту барабана окуляр-микрометра, содержит 100 делений барабана. Для данного микроскопа с учетом увеличения объектива и окулярного микрометра цена одного деления шкалы барабана равна 0,0008 мм.
Для повышения точности результатов определения длины волны света l рекомендуется комбинировать радиус кольца rm и радиусом кольца rk. Если m – четный номер кольца, то k=m/ 2. Если m – нечетный номер кольца, то k=(m-1)/ 2. Например, если m =12, то k =6; если m =11, то k =5. Для красного светофильтра необходимо измерить не менее 12 – 15 колец. Для синего и зеленого и желтого светофильтров число хорошо видимых колец меньше. По формуле (15) определяют длину волны света, пропускаемого данным светофильтром. Для каждого светофильтра рассчитывают длину волны не менее трех раз, комбинируя разными значениями m и k. Примечание. Так как ширина колец вблизи центра интерференционной картины наибольшая, то расчет длины волны следует проводить по значениям радиусов колец, наиболее удаленных от центра. Радиус кривизны линзы R=14,4 мм. Результаты измерений заносят в таблицу.
Контрольные вопросы 1. Дайте определение явлению интерференция света. 2. Какие волны называются когерентными? 3. В чем состоит условие максимума и минимума света при интерференции? 4. Из чего складывается полная оптическая разность хода? 5. В каких случаях изменяется разность хода лучей на l/2 при отражении? 6. Объясните физическую сущность образования колец Ньютона. РАБОТА № 6(9) ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ ПРИ ПОМОЩИ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ
Приборы и принадлежности: гониометр, плоская дифракционная решетка, осветительсо светофильтрами.
|